多孔碳材料的设计、调控及其电容去离子性能研究
发布时间：2020-12-09 07:20
在低碳经济的当今社会,以电容去离子（Capacitive deionization,CDI）为代表的新型淡化脱盐技术因其低能耗、高效率、低成本、环境友好等优点,近年来备受关注。作为CDI技术的核心,电极材料性能的优劣直接从根本上决定了 CDI系统的脱盐性能。因此,设计出结构与组成可控的CDI电极材料是获得理想脱盐性能的前提。本文针对目前多孔碳材料作为CDI电极材料存在的容量低、响应慢的技术挑战,以构建具有大电吸附容量和快电吸附速率的CDI电极材料为目标,围绕着多孔结构和化学组成两个方面,开展多孔碳纳米材料的可控制备及其与CDI性能之间的构效关系研究。具体研究内容及结果如下:（1）从分子层面进行设计,将嵌段共聚物PEO113-b-PS192的自组装与PS链段的交联反应相结合,和外加氮源一起碳化后,制备了氮掺杂等级多孔碳N-HPC。制备的N-HPC具有由微孔、介孔和大孔组成的三维相互贯通的等级多孔网络结构,这种结构有利于电解液离子在其孔道内的传质扩散。同时经过氮掺杂修饰后,材料的电化学特性明显改善:相比于未掺杂样品,N-HPC电极的比电容值增加了2.74倍。CDI性能测试表明,由于等级多孔...
【文章来源】：南京理工大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：139 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
全球每年各区域水资源短缺的月数分布}a1Fig.1.1Numbermonthsperyearofthewatershortagesglobal.0}
反渗透（Ｒｅｖｅｒｓｅｏｓｍｏｓｉｓ，Ｒ０）、多级闪蒸（Ｍｕｌｔｉ－ｓｔａｇｅｆｌａｓｈ，ＭＳＦ）、多效蒸懷（Ｍｕｌｔｉ－ｅｆｆｅｃｔ??ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ，ＭＥＤ）、电渗析（Ｅｌｅｃｔｒｏｄｉａｌｙｓｉｓ，ＥＤ）和电容去离子（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ?ｄｅｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ，??ＣＤＩ）等Ａ它们的脱盐原理各不相同，有着各自的优缺点（图１．２）。??ＲＯ是目前最重要的淡化脱盐技术。其利用膜分离原理，在压力的作用下使得盐水??中的水分通过反渗透膜而各种盐分、有机物和微生物被截留，从而实现纯水的分离［１（）］。??ＲＯ适用于高浓度的海水淡化，且除盐效率高，是大部分海水淡化厂的主流工艺。然而，??其运行必须配备高压设备，这增加了能耗和运营成本。同时，反渗透膜的膜污染问题也??是不可忽略的因素。过度的膜污染会堵塞膜组件，使得运行压力增大。解决膜污染问题??需要额外的反清洗步骤，但长期如此会降低反渗透膜的寿命［１１］。ＭＳＦ是将经过加热的海??水依次在多个压力逐渐降低的闪蒸室中进行蒸发，将蒸汽冷凝而得到淡水的淡化脱盐技??术［１２］。其适合于大型和超大型海水淡化处理生产
电极理论（ｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ?ｐｏｒｏｕｓ?ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ?ｔｈｅｏｒｙ）。理论假设在电极内部的大孔和微孔充??满电解液，且局部浓度是一样的。颗粒间的大孔作为离子在整个电极内部传输的主要通??道，其是呈电中性的，而在微孔中过量的电荷通过形成双电层而被抵消（图１．７ａ）。两维??多孔电极理论利用两个耦合的偏微分方程用于描述碳颗粒间的盐浓度、静态电势、电荷??密度以及电吸附容量随吸附时间和电极厚度的变化，如式１－２所示：??｛，心令??Ｐｍｊ＾＾?＝?２ＰｎｉＡＤｆ［ｃｍＡ＾??Ｌ．?ｕｔ?ＯＸ?ＯＸ?ｙ?（１－２）??两维多孔电极理论是将具有两个平行电极的ＣＤＩ组件假设分为了?Ｍ个亚组件，并??且考虑了溶液流经的方向和盐从电极中是流入和流出的动态过程（图１．７ｂ）。同时，理论??还需要对电极的几何形态（厚度、孔隙率等）进行测量。虽然理论在描述ＣＤＩ中离子传输??的动力学过程是非常成熟的，但是它忽略了离子在多孔电极孔道中的传质阻力。为此，??还需要额外引入一个传质系数。??８??
【参考文献】：
博士论文
[1]电容去离子脱盐用整体性活性炭纤维的设计构筑及其性能研究[D]. 董强.大连理工大学 2016
本文编号：2906513
【文章来源】：南京理工大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：139 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
全球每年各区域水资源短缺的月数分布}a1Fig.1.1Numbermonthsperyearofthewatershortagesglobal.0}
反渗透（Ｒｅｖｅｒｓｅｏｓｍｏｓｉｓ，Ｒ０）、多级闪蒸（Ｍｕｌｔｉ－ｓｔａｇｅｆｌａｓｈ，ＭＳＦ）、多效蒸懷（Ｍｕｌｔｉ－ｅｆｆｅｃｔ??ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ，ＭＥＤ）、电渗析（Ｅｌｅｃｔｒｏｄｉａｌｙｓｉｓ，ＥＤ）和电容去离子（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ?ｄｅｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ，??ＣＤＩ）等Ａ它们的脱盐原理各不相同，有着各自的优缺点（图１．２）。??ＲＯ是目前最重要的淡化脱盐技术。其利用膜分离原理，在压力的作用下使得盐水??中的水分通过反渗透膜而各种盐分、有机物和微生物被截留，从而实现纯水的分离［１（）］。??ＲＯ适用于高浓度的海水淡化，且除盐效率高，是大部分海水淡化厂的主流工艺。然而，??其运行必须配备高压设备，这增加了能耗和运营成本。同时，反渗透膜的膜污染问题也??是不可忽略的因素。过度的膜污染会堵塞膜组件，使得运行压力增大。解决膜污染问题??需要额外的反清洗步骤，但长期如此会降低反渗透膜的寿命［１１］。ＭＳＦ是将经过加热的海??水依次在多个压力逐渐降低的闪蒸室中进行蒸发，将蒸汽冷凝而得到淡水的淡化脱盐技??术［１２］。其适合于大型和超大型海水淡化处理生产
电极理论（ｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ?ｐｏｒｏｕｓ?ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ?ｔｈｅｏｒｙ）。理论假设在电极内部的大孔和微孔充??满电解液，且局部浓度是一样的。颗粒间的大孔作为离子在整个电极内部传输的主要通??道，其是呈电中性的，而在微孔中过量的电荷通过形成双电层而被抵消（图１．７ａ）。两维??多孔电极理论利用两个耦合的偏微分方程用于描述碳颗粒间的盐浓度、静态电势、电荷??密度以及电吸附容量随吸附时间和电极厚度的变化，如式１－２所示：??｛，心令??Ｐｍｊ＾＾?＝?２ＰｎｉＡＤｆ［ｃｍＡ＾??Ｌ．?ｕｔ?ＯＸ?ＯＸ?ｙ?（１－２）??两维多孔电极理论是将具有两个平行电极的ＣＤＩ组件假设分为了?Ｍ个亚组件，并??且考虑了溶液流经的方向和盐从电极中是流入和流出的动态过程（图１．７ｂ）。同时，理论??还需要对电极的几何形态（厚度、孔隙率等）进行测量。虽然理论在描述ＣＤＩ中离子传输??的动力学过程是非常成熟的，但是它忽略了离子在多孔电极孔道中的传质阻力。为此，??还需要额外引入一个传质系数。??８??
【参考文献】：
博士论文
[1]电容去离子脱盐用整体性活性炭纤维的设计构筑及其性能研究[D]. 董强.大连理工大学 2016
本文编号：2906513
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